Hvis der nogensinde var et element, der kunne have været stemt "mindst sandsynligt, at det lykkes, "det ville være aluminium. Selvom gamle persiske keramikere tilføjede aluminium til deres ler for at styrke deres keramik, rent aluminium blev ikke opdaget før i 1825. Da havde mennesker havde brugt flere metaller og metallegeringer (eller blandinger af metal såsom bronze) i tusinder af år.
Selv efter dens opdagelse, aluminium syntes bestemt til uklarhed. Kemikere kunne kun isolere et par milligram ad gangen, og det var så sjældent, at det sad ved siden af guld og sølv som et halvædelmetal. Ja, i 1884, den samlede amerikanske produktion af aluminium var kun 57 kilo (kilde:Alcoa).
Næste
Derefter, i 1886, Amerikaneren Charles Martin Hall og franskmanden Paul L. T. Heroult, arbejder selvstændigt, udtænkt en metode til at udtrække aluminium fra aluminiumoxid. Processen, en type elektrolytisk reduktion , krævede en enorm mængde elektrisk strøm, men det producerede det sølvhvide metal i store mængder. I 1891, produktionen af aluminium var nået langt over 300 tons (272 tons) [kilde:Alcoa]. Og den var ved at finde vej til en lang række produkter, fra gryder og pander til pærer og elledninger til biler og motorcykler.
I dag, mere end et århundrede senere, aluminium er selve symbolet på allestedsnærværende. Hvert år, USA producerer mere end 5,6 millioner tons (5,1 millioner tons) [kilde:International Aluminium Institute]. Meget af det aluminium går i øl- og sodavandsdåser - til en værdi af 300 millioner aluminiumsdåser om dagen, 100 milliarder om året [kilde:Can Manufacturers Institute]. Ikke dårligt for et element, der gik uopdaget i så lang tid.
I denne artikel, vi vil se nærmere på aluminium - dets egenskaber, forekomst og adfærd. Vi vil også undersøge aluminiums livscyklus, fra sin produktion ved hjælp af Hall-Heroult-processen til dens reinkarnation efter genbrug. Og, endelig, vi vil undersøge alle anvendelser af aluminium, herunder nogle fremtidige anvendelser, der kan overraske dig.
Lad os starte med det grundlæggende:aluminium fra en kemists synspunkt.Indhold
Ligesom snesevis af andre elementer i det periodiske system, aluminium forekommer naturligt. Som med alle elementer, aluminium er et rent kemisk stof, der ikke kan opdeles i noget enklere. Alle elementer er arrangeret i det periodiske system efter deres Atom nummer - antallet af protoner i deres kerne. Aluminiums lykketal er 13, så et aluminiumatom har 13 protoner. Det har også 13 elektroner.
Elementerne placeret over og under aluminium på det periodiske system danner a familie, eller gruppe , der deler lignende ejendomme. Aluminium tilhører gruppe 13, som også inkluderer bor (B), gallium (Ga), indium (In) og thallium (Tl). Tabellen til højre viser, hvordan disse elementer ville være arrangeret på det periodiske system. Bemærk, at hvert element er repræsenteret med et symbol, og at symbolet for aluminium er Al . Tallet over hvert symbol er elementets atomvægt , målt i atommassenheder ( amu ). Atomvægt er den gennemsnitlige masse af et element bestemt ved at overveje bidrag fra hver naturlig isotop. Aluminiums atomvægt er 26,98 amu. Tallet under aluminiums symbol er dets atomnummer.
Gruppe 13
Boron -familien
10,81
B
5
26,98
Al
13
69,72
Ga
31
114,82
I
49
204,38
Tl
8
Kemikere klassificerer elementerne i gruppe 13 som metaller, undtagen bor, som ikke er et fuldgyldigt metal. Metaller er generelt skinnende elementer, der leder varme og elektricitet godt. Det er de også formbar - kan hamres i forskellige former- og duktilt - kan trækkes ind i ledninger. Disse egenskaber gælder bestemt aluminium. Faktisk, aluminium bruges ofte i køkkengrej, fordi det leder varme så effektivt. Og kun kobber leder bedre elektricitet, hvilket gør aluminium til et ideelt materiale til elektrisk materiale, herunder pærer, elledninger og telefonledninger. Andre vigtige egenskaber ved aluminium er anført nedenfor:
Disse sidste to egenskaber gør aluminium særligt nyttigt. Dens korrosionsbestandighed skyldes kemiske reaktioner, der finder sted mellem metallet og ilt. Når aluminium reagerer med ilt, et lag aluminiumoxid dannes på ydersiden af metallet. Dette tynde lag beskytter det underliggende aluminium mod de ætsende virkninger af ilt, vand og andre kemikalier. Som resultat, aluminium er især værdifuldt til udendørs brug. Det producerer heller ikke gnister, når det rammes, hvilket betyder, at du kan bruge det i nærheden af brandfarlige eller eksplosive materialer.
Aluminium findes i naturen i forskellige forbindelser. For at drage fordel af dets egenskaber, den skal adskilles fra de andre elementer, der kombineres med den - en lang, kompleks proces, der starter med et stenhårdt materiale kendt som bauxit .
Efter at den har gennemgået denne proces, aluminium er meget blødt og let i sin rene form. Nogle gange er det ønskeligt at ændre disse egenskaber - for at gøre aluminium stærkere og hårdere, for eksempel. For at opnå dette, metallurger vil kombinere aluminium med andre metalliske elementer, danner det, man kender som legeringer . Aluminium er almindeligt legeret med kobber, magnesium og mangan. Kobber og magnesium øger aluminiums styrke, mens mangan forbedrer aluminiums korrosionsbestandighed.
Aluminium findes ikke i naturen som et rent element. Det udviser relativt høj kemisk reaktivitet, hvilket betyder, at den har en tendens til at binde sig til andre grundstoffer for at danne forbindelser. Mere end 270 mineraler i Jordens sten og jord indeholder aluminiumforbindelser. Dette gør aluminium til det mest rigelige metal og det tredje mest udbredte element i jordskorpen. Kun silicium og ilt er mere almindelige end aluminium. Det næst mest almindelige metal efter aluminium er jern, efterfulgt af magnesium, titan og mangan.
Den primære kilde til aluminium er en malm kendt som bauxit . An malm er ethvert naturligt forekommende fast materiale, hvorfra man kan få et metal eller et værdifuldt mineral. I dette tilfælde, det faste materiale er en blanding af hydreret aluminiumoxid og hydreret jernoxid. Hydreret refererer til vandmolekyler, der er kemisk bundet til de to forbindelser. Den kemiske formel for aluminiumoxid er Al 2 O 3 . Formlen for jernoxid er Fe 2 O 3 .
Indskud af bauxit forekommer som flade lag, der ligger nær jordens overflade og kan dække mange miles. Geologer lokaliserer disse aflejringer ved efterforskning - at tage kerneprøver eller bore i jord, der mistænkes for at indeholde malmen. Ved at analysere kernerne, forskere er i stand til at bestemme mængden og kvaliteten af bauxitten.
Efter malmen er opdaget, åbne gruber leverer typisk den bauxit, der til sidst vil blive aluminium. Første bulldozere rydder jord over et depositum. Derefter løsner arbejderne jorden med sprængstof, som bringer malmen til overfladen. Kæmpe skovle øser derefter den bauxitrige jord op og smider den ned i lastbiler, som fører malmen til et forarbejdningsanlæg. Frankrig var det første sted for stor bauxit minedrift. I USA, Arkansas var en stor leverandør af bauxit før, under og efter Anden Verdenskrig. Men i dag, materialet er overvejende udvundet i Australien, Afrika, Sydamerika og Caribien.
Det første trin i den kommercielle produktion af aluminium er adskillelsen af aluminiumoxid fra jernoxidet i bauxit. Dette opnås ved hjælp af en teknik udviklet af Karl Joseph Bayer, en østrigsk kemiker, i 1888. I Bayer proces , bauxit blandes med kaustisk soda, eller natriumhydroxid, og opvarmet under tryk. Natriumhydroxidet opløser aluminiumoxidet, dannelse af natriumaluminat. Jernoxidet forbliver fast og separeres ved filtrering. Endelig, aluminiumhydroxid indført i det flydende natriumaluminat får aluminiumoxid til bundfald , eller komme ud af opløsningen som et fast stof. Disse krystaller vaskes og opvarmes for at slippe af med vandet. Resultatet er rent aluminiumoxid, et fint hvidt pulver også kendt som aluminiumoxid .
Alumina er et praktisk materiale i sig selv. Dens hårdhed gør den nyttig som slibemiddel og som komponent i skæreværktøjer. Det kan også bruges til at rense vand og til at lave keramik og andre byggematerialer. Men dets primære anvendelse er at fungere som udgangspunkt for at udtrække rent aluminium. I det næste afsnit, ser vi på de trin, der kræves for at omdanne aluminiumoxid til aluminium.
At omdanne aluminiumoxid - aluminiumoxid - til aluminium repræsenterede en vigtig milepæl i den industrielle revolution. Indtil moderne smelteteknikker udviklede sig, kun små mængder aluminium kunne opnås. De fleste tidlige processer var afhængige af at fortrænge aluminium med mere reaktive metaller, men metallet forblev dyrt og relativt undvigende. Det hele ændrede sig i 1886 - året hvor to håbefulde kemikere og industriister udviklede en smelteproces baseret på elektrolyse.
Elektrolyse betyder bogstaveligt talt "nedbrydning af elektricitet, "og det kan bruges til at nedbryde et kemikalie til komponentkemikalier. Det traditionelle setup for elektrolyse kræver, at to metalelektroder nedsænkes i en flydende eller smeltet prøve af et materiale, der indeholder positive og negative ioner. Når elektroderne er forbundet til et batteri, en elektrode bliver en positiv terminal, eller anode . Den anden elektrode bliver en negativ terminal, eller katode . Fordi elektroderne er elektrisk ladede, de tiltrækker eller afviser ladede partikler opløst i opløsningen. Den positive anode tiltrækker negativt ladede ioner, mens den negative katode tiltrækker positivt ladede ioner.
Sir Humphry Davy, den britiske kemiker krediteres for at have givet aluminium sit navn, forsøgte uden held at producere aluminium ved elektrolyse i begyndelsen af 1800'erne. Den franske skolelærer og amatørkemiker Henri Saint-Claire Deville kom også tomhændet frem. Derefter, i februar 1886, efter flere års eksperimenter, Amerikanske Charles Martin Hall stødte på den helt rigtige formel:at føre en jævnstrøm gennem en opløsning af aluminiumoxid opløst i smeltet kryolit , eller natriumaluminiumfluorid (Na 3 AlF 6 ). Indtil 1987, kryolit blev udvundet fra aflejringer fundet på Grønlands vestkyst. I dag, kemikere syntetiserer forbindelsen fra mineralet fluorit, hvilket er meget mere almindeligt.
Trinene i aluminiumsmeltning er beskrevet nedenfor:
2Al 2 O 3 + 3C -> 4Al + 3CO 2
Aluminiumssmeltningsprocessen udviklet af Hall resulterede i store mængder rent aluminium. Pludselig, metallet var ikke længere sjældent. Ideen om at producere aluminium via elektrolytisk reduktion i kryolit var ikke sjælden, enten. En franskmand ved navn Paul L.T. Heroult kom med den samme idé bare et par måneder senere. Hal, imidlertid, modtog patent på processen i 1889, et år efter at han grundlagde Pittsburgh Reduction Company, som senere skulle blive Aluminium Company of America, eller Alcoa. I 1891, aluminiumsproduktionen nåede langt over 300 tons (272 tons) [kilde:Alcoa].
På den næste side, vi vil se, hvad der sker med aluminiumet, når det kommer frem fra de elektrolytiske celler.
De kar, der blev brugt i Hall-Heroult-processen, er kendt som gryder . En stor gryde kan producere mere end 2 tons aluminium hver dag. Men virksomheder kan og gør dette output ved at forbinde flere gryder sammen potlines . Et smelteværk kan indeholde en eller flere potlines, hver med 200 til 300 gryder. Inde i disse gryder, aluminiumsproduktionen fortsætter dag og nat for at sikre, at metallet forbliver i sin flydende form.
En gang om dagen, arbejdere hæver aluminium fra potlines. Meget af metallet er afsat til at blive fremstilling af barrer . For at lave en fabrikationsstang, smeltet aluminium fortsætter til store ovne, hvor det kan blandes med andre metaller for at danne legeringer. Derfra, metallet gennemgår en rengøringsproces kendt som flydende . Fluxing bruger gasser som nitrogen eller argon til at adskille urenheder og bringe dem til overfladen, så de kan skimmes væk. Det rensede aluminium hældes derefter i forme og afkøles hurtigt ved at sprøjte koldt vand over metallet.
Noget af aluminiumet, der er hævet fra potlines, er ikke legeret eller rengjort. I stedet, det hældes direkte i forme, hvor det afkøles langsomt og hærder til dannelse støberi (eller omsmeltes ) barrer . Primære aluminiumsværker sælger omsmeltningsstænger til støberier. Støberierne returnerer aluminiumet til dets flydende tilstand og fortsætter selv med legering og flux. De gør derefter aluminiumet til forskellige dele - til apparater, biler og andre applikationer - ved at bruge følgende fremstillingsteknikker.
Aluminium er et attraktivt metal og kræver ofte ingen finish. Men det kan poleres, malet og galvaniseret. For eksempel, øl- og sodavandsmagere bruger en trykproces til at sætte deres etiketter på aluminiumsdåser (se sidebjælke). Typiske trykformuleringer er ofte lakbelægninger, der både klæber godt til aluminiumet og giver æstetisk appel. Selvfølgelig, sådanne finish er en bekymring, når det kommer til genbrug, fordi de skal fjernes. I det næste afsnit, Vi vil undersøge, hvordan aluminium genanvendes i detaljer.
På grund af sin alsidighed, aluminium egner sig til mange anvendelser. Faktisk, det er det næstmest anvendte metal efter stål, med en årlig primærproduktion på 24,8 millioner tons (22,5 millioner tons) i 2007 [kilde:International Aluminium Institute]. Meget af denne produktion går til de 187 milliarder aluminiumsdåser, der er produceret på verdensplan [kilde:Novelis]. Bilindustrien er aluminiums hurtigst voksende marked. Fremstilling af bildele af aluminium - alt fra fælge til topstykker, stempler og radiatorer - gør en bil lettere, reducere brændstofforbrug og forureningsniveauer. Efter nogle skøn, en bil med 150 kg aluminium bør se brændstofforbruget reduceret med 0,43 gallon pr. 100 miles [kilde:Autoparts Report].
Her er nogle andre vigtige anvendelser af aluminium.
Aluminium efter numrene
*Kilde:Alcoa
Overraskende, det meste af aluminium, der nogensinde er fremstillet, bruges stadig i dag. Det er fordi det kan genbruges igen og igen uden at miste kvaliteten. Det meste aluminium, der bliver genbrugt, stammer fra en af tre kilder:brugte dåser, dele fra gamle biler og skrot indsamlet under fremstilling af aluminiumsprodukter [kilde:World Book]. Genanvendelse af aluminiumsdunke er en af de store succeser med den moderne bæredygtighedsbevægelse (Hvis du er en stor genbruger, sørg for at læse Hvilken ting skal jeg genbruge?). Det første nationale program til genbrug af dåser begyndte i 1968, og i dag, omkring 66 milliarder dåser genbruges hvert år alene i USA [kilde:Alcoa].
Aluminium dåse genbrug er en lukket proces , hvilket betyder, at det nye produkt, der er fremstillet efter genbrugsprocessen, er det samme som det, der var før. Der er seks trin til genbrug af lukkede kredsløb:
Meget af innovationen i aluminiumsindustrien er relateret til at forbedre effektiviteten i produktion og genbrug. Men, som vi vil se i det næste afsnit, efterspørgslen efter aluminium vil kun vokse, når nye og spændende applikationer dukker op.
Primær produktion af aluminium kræver enorm energi. Det producerer også drivhusgasser, der påvirker den globale opvarmning. Ifølge International Aluminium Institute, fremstilling af nye lagre af aluminium frigiver 1 procent af de globale menneskeskabte drivhusgasemissioner. En af branchens vigtigste prioriteter er at reducere disse emissioner gennem reduktionsforanstaltninger, øget genbrug og brug af aluminium i køretøjer fly, fartøjer og tog. Faktisk, brug af lette aluminiumskomponenter i køretøjer er en af de mest betydningsfulde fremskridt inden for bildesign og produktion. Hvert kilo (2,2 pund) tungere materiale, der erstattes af aluminium, resulterer i fjernelse af 22 kilo kuldioxid i løbet af køretøjets levetid [kilde:International Aluminium Institute].
En anden lovende anvendelse er brugen af aluminium i biler med brændselsceller. Forskere ved Purdue University opdagede for nylig, at aluminium kunne bruges til effektivt at producere brintbrændstof. Processen begynder med aluminiumpiller, som blandes i flydende gallium for at producere flydende aluminium-gallium. Når vand tilsættes, aluminiumet reagerer med oxygenet for at danne en gel. Hydrogengas, som kan opsamles og bruges til at drive en brændselscelle, er også produceret.
Innovationer som disse vil øge efterspørgslen efter aluminium. Og selvom metallet er relativt ungt, det er en af de vigtigste i den menneskelige civilisations historie. Når morgendagens arkæologer og antropologer reflekterer over det 19. århundrede, 20. og 21. århundrede, de kunne meget sandsynligt betegne det som aluminiumsalderen, placere den ved siden af stenen, Bronze- og jernalder som en af de mest betydningsfulde perioder i menneskelig kulturel udvikling.
Relaterede HowStuffWorks -artikler
Flere store links
Kilder
Sidste artikelSådan fungerer DNA -profilering
Næste artikelSådan fungerer Lead